1、成果簡介

如何解決石墨烯（G）納米片的結(jié)構(gòu)堆疊以保持高分散性一直是促進其在微電子相關(guān)器件中實際應(yīng)用的一個重要問題。本文，濟南大學(xué)徐彩霞 教授、劉宏 教授、中國科學(xué)院物理研究所 Hong Liu等研究人員在《ADVANCED SCIENCE》期刊發(fā)表名為“Surface Charge Regulation of Graphene by Fluorine and Chlorine Co-Doping for Constructing Ultra-Stable and Large Energy Density Micro-Supercapacitors”的論文，研究通過一步電化學(xué)剝離協(xié)議將電負性最高的氟（F）和原子半徑較大的氯（Cl）共同摻雜到石墨烯中，從而實現(xiàn)了柔性微型超級電容器（MSC）的超長循環(huán)穩(wěn)定性。

密度泛函理論計算揭示了在 G 中加入 F 可以形成 “離子 ”C─F 鍵，從而增加納米片之間的斥力，而 Cl 的引入可以擴大 G 的層間距，并通過在孔隙缺陷上積累電荷來增加活性位點。F和Cl的共摻雜產(chǎn)生了強大的協(xié)同作用，使G獲得了高可逆電容和堅固的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。所構(gòu)建的水凝膠基MSC在500,000次循環(huán)中表現(xiàn)出極好的循環(huán)穩(wěn)定性，且無電容損失和結(jié)構(gòu)堆疊。此外，基于離子液體凝膠的 MSC 在高達 3.5 V 的高壓下表現(xiàn)出 113.9 mW h cm-3 的高能量密度。目前的研究工作為柔性微電子領(lǐng)域高性能共摻雜 G 電極候選材料的設(shè)計和規(guī)模化制備提供了深刻的啟示。

2、圖文導(dǎo)讀

圖1、F/Cl 共摻雜G的制備過程。

圖2、a） SEM，b） TEM，c） HRTEM 和 d） F/Cl-G 納米片的 AFM 圖像。e-i） F/Cl-G 納米片的 TEM 和 EDS 映射圖像。j） F/Cl-G 納米片的 AC HAADF-TEM 圖像。k-n） 側(cè)重于圖 2j 中 1-4 的四個不同區(qū)域。o） F / Cl-G納米片的C 1s，p） O 1s，q） F 1s和r） Cl 2p光譜。

圖3、a) 金屬模板示意圖。b) PET 基底上的電極。c) 電極的橫截面 SEM 圖像。PVA/H2SO4-MSCs 的電化學(xué)測試結(jié)果。e) F/Cl-G 不同成分構(gòu)建的 MSCs 在 50 mV s-1 掃描速率下的 CV 曲線。f) F/Cl-G 不同成分構(gòu)建的 MSCs 在 50 mV s-1 掃描速率下的比電容值。i) F6Cl4-G-MSC 的等面積比電容。j) 電流密度為 0.005-0.05 mA cm-2 時 F6Cl4-G-MSC 的 GCD 曲線。l) F6Cl4-G-MSC 在 0.2 mA cm-2 電流密度下 500,000 次不間斷充放電循環(huán)的循環(huán)穩(wěn)定性（插入圖片：電解質(zhì)離子遷移示意圖和循環(huán)后電極的 SEM 圖像）。

圖4、a) 具有不同彎曲角度的柔性 PVA/H2SO4-MSCs。b) 掃描速率為 50 mV s-1 時不同彎曲角度下的 CV 曲線。c) 間充質(zhì)干細胞可以用共摻雜 G 而不是導(dǎo)電金屬絲或粘合劑連接。g) 1-12 個串聯(lián) F6Cl4-G-MSCs 的復(fù)平面圖。h) 掃描速率為 50 mV s-1 時的 CV 曲線和 i) 1-12 個并聯(lián) F6Cl4-G-MSCs 在 0.1 mA 電流下的 GCD 曲線。

圖5、EMIMBF4/PVDF HFP MSC的電化學(xué)性能

圖6、a-c) 優(yōu)化后的層間距，d-f) 電荷密度差，g-i) F/F-G、F/Cl-G 和 Cl/Cl-G 與之字形邊緣的巴德電荷。C：棕色，F(xiàn)：藍色，Cl：綠色。等值 = 0.005 時 F/F-G、F/Cl-G 和 Cl/Cl-G 的計算電荷密度差，計算公式如下：Δρ = ρ（總）- ρ（G）- ρ（Cl 或 F）。黃色區(qū)域代表電子積累，藍色區(qū)域代表電子耗盡。

3、小結(jié)

綜上所述，該研究利用一種簡便、高效的電化學(xué)剝離方法制備出了高質(zhì)量的F和Cl共摻雜少層G納米片。在石墨的快速剝離過程中，溶液中的 F 和 Cl 離子同時攻擊 G 邊緣和納米孔周圍的懸鍵位置，實現(xiàn)了兩種鹵素離子的共摻雜。由于共摻雜 G 的多孔結(jié)構(gòu)和豐富缺陷，基于 F/Cl-G 構(gòu)建的 MSCs 顯示出高面積/體積比電容、超長穩(wěn)定性和大能量密度。通過模板輔助方法，間距僅為 500 µm 的插接電極可以成功地在水溶液和離子液體凝膠電解質(zhì)中構(gòu)建出具有優(yōu)異電化學(xué)性能的柔性單 MSC 和集成電路。

文章來源：濟大產(chǎn)研院知識產(chǎn)權(quán)服務(wù)平臺